三点弯曲蠕变试验中裂缝扩展 的有限元计算分析

应用破坏接近度的概念，将压应力作用下的非线性粘弹性模型扩张成了拉应力作用下的岩石力学模型。应用该模型，对三点弯曲蠕变试验中裂缝的扩展过程进行了有限元计算，发现裂缝扩展随时间的变化与应力—应变曲线的形状，尤其是强度破坏点以后的曲线形状密切相关。     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

在法向压应力影响下隧洞围岩非线性粘塑性变形的研究

本文在对岩石材料受纯剪应力和单轴压缩应力条件下的非线性粘塑性蠕变的研究基础上,进一步提出了在法向压应力状态下岩石材料的非线性粘塑性蠕变特性和相应的力学模型;并将该力学模型应用于西南某电站水工隧洞周边的围岩,利用粘性增量初应变有限元法分析计算了在法向压应力影响下隧洞围岩非线性粘塑性变形的力学效应。     

不同排水条件下砂岩应力渗流耦合试验研究

应力渗流耦合是岩石力学基本问题之一。以砂岩为研究对象进行不同排水条件下(排水和不排水)的三轴压缩试验研究。结果表明:围压对岩石有强化约束作用,岩石的弹性模量、峰值强度、启裂应力及扩容应力随围压增加而增大;在排水条件下,孔压一定程度上减弱了围压作用,弱化岩石的力学特性,且对黏聚力影响比对内摩擦角更加敏感;对于不排水条件,孔压变化峰值应力出现在扩容应力附近,是岩石内部裂纹开启的反映;同一初始孔压下围压越高相应孔压变化值越大,围压相同时初始孔压越大,其孔隙水压力变化越显著;同一围压下,不排水条件试验的岩石峰值强度、闭合应力、启裂应力和扩容应力一般低于排水条件下各项指标值。     

某地区花岗石三轴蠕变试验及其损伤分岔特性研究

 以某地区花岗岩为例，在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行三轴压缩蠕变试验研究，试验结果表明：岩石变形从稳态蠕变进入加速蠕变阶段存在一个应力阈值，当应力低于该阈值时，岩石内部的原始裂隙和孔隙在低应力水平下挤压密实，产生微细观的线黏弹性变形，蠕变变形以平缓的速率增长并最终趋于稳定，此时岩石的流变参数保持恒定；当应力超过该阈值时，在较高应力水平的持续作用下，岩石内部有大量细观分布裂纹产生并且迅速发展，损伤急剧演化累积，导致岩石流变参数发生突变。采用FLAC3D对花岗岩三轴蠕变试验进行三维数值模拟，得到岩石蠕变进入加速阶段的应力阈值。最后结合固体力学的分岔理论，从流变参数的角度考虑，对广义开尔文模型引入损伤变量，建立能够反映岩石加速蠕变阶段的损伤演化方程，对岩石进入加速蠕变阶段后由于参数突变引发的分岔力学特性进行分析，确定引起岩石发生分岔行为的流变参数以及岩石蠕变变形的分岔点。计算结果表明，基于考虑损伤影响的有效初始弹性模量得到的计算曲线与试验曲线的吻合情况较为理想。     

单向荷载作用下岩石损伤模型及其力学特性研究

从唯象学角度出发并根据Ｗｅｉｂｕｌｌ统计分布理论，推导出岩石在单向荷载作用下的损伤模型，确定了岩石材料在单向荷载作用下测定损伤的方法；揭示了临界损伤值与材料固有力学特性之间的关系。指出峰荷应力下的损伤参量类似材料弹性模量、强度和峰荷应变一样，也是材料固有的力学特性之一，并且是三者的综合表现。本文的损伤模型可确定纯压、纯拉和纯弯等单向荷截作用下的临界损伤值，可用于非刚性试验机或非伺服试验机上岩石损伤的测定。该方法同样适用于其它工程材料损伤的测定。另外，还建议性地提出了确定岩石压缩应力－应变全过程曲线上线弹性极限强度、准弹性强度、屈服强度以及残余强度的数学表达式，与有关试验结果对比分析表明，这些表达式具有较好的精度。     

页岩蠕变特性及模型研究

通过对页岩单轴蠕变试验结果的分析,研究应力状态对页岩强度及其时间相关性特征的影响,分析结果表明:页岩是一种软弱岩石,轴压对页岩的力学性质影响较大,通过试验获得的蠕变曲线和岩石参数,结合广义开尔文模型回归得出的页岩的蠕变本构方程,能较好地模拟试验结果.     

爆炸应力波驱动的岩石开裂机制

针对岩石的钻爆法开挖,采用应力强度因子计算公式,分析爆炸应力波随时间、空间的变化规律以及其对岩石开裂过程的影响。研究结果表明,在爆炸应力波的作用下,按照时间顺序,岩石介质中的应力状态将先后处于压剪或拉剪应力状态;在炮孔近区,压剪应力状态对岩石开裂起控制作用;当距炮孔较远时,拉剪应力状态对岩石的开裂起主要作用;随着距离的进一步增大,岩石的开裂主要受拉剪应力状态控制,且以双向受拉的拉剪应力状态为主。尤其是对于强度较低的岩石,双向受拉的拉剪应力状态对开裂区范围的影响不能忽略。     

细观介质拉压比对岩石破坏过程的影响

通过应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D，模拟了不同细观单元拉压比的岩石试件在单轴压缩试验下的破坏过程，分析了细观介质拉压比对岩石破坏过程中的力学行为和破坏机理的影响。结果表明，随着拉压比的提高，岩石的整体抗拉强度和残余强度逐渐降低，同时岩石的宏观破坏形式也由剪切破坏向拉伸破坏转变。当拉压比低于某一确定值时，拉压比对岩石的变形行为影响很小。     

坝基硬岩蠕变特性试验及其蠕变全过程中的渗流规律

 采用先进的岩石全自动流变伺服仪,对坝基坚硬岩石变质火山角砾岩进行渗透水压力作用下的三轴流变力学试验。基于试验结果,研究变质火山角砾岩在不同围压下的蠕变特性,并分析岩石蠕变全过程中渗流速率随时间的变化规律。研究结果表明,当所施加应力水平小于岩石破裂应力水平时,变质火山角砾岩轴向蠕变变形不明显,且主要表现为稳态蠕变;当施加应力水平大于或小于但接近岩石破裂应力水平时,出现明显蠕变变形,蠕变速率开始增加,且发生加速蠕变破裂,表现出较为明显的加速蠕变特性。变质火山角砾岩环向蠕变变形量明显大于轴向蠕变变形量,表现出明显体积扩容现象。变质火山角砾岩稳态蠕变阶段的渗流速率随时间变化不大,但加速蠕变阶段的渗流速率明显增大,围压2 MPa下变质火山角砾岩的渗流加速度大于围压6 MPa下的渗流加速度。试验结果旨在为岩石流变本构模型及参数辨识提供可靠的试验依据。     

土工合成材料双向拉伸多功能试验机的研制及初步应用

为揭示土工合成材料双向拉伸状态下的力学特性,自主研制了一台双向拉伸多功能试验机,能够进行瞬时和长期蠕变双向拉伸试验。瞬时拉伸采用电机控制,可以实现两个方向任意比例下应力和应变加载;蠕变拉伸采用法码加载,可同时进行3组大变形蠕变拉伸试验。经初步应用表明,该试验机能够进行复杂应力、应变路径下土工合成材料双向拉伸试验,为土工合成材料双向拉伸力学特性的研究提供了一种科学有效手段。     

利用光干涉原理的岩石长期蠕变试验

为了弄清楚岩石的蠕变性,需要连续进行某种长达数十年的试验。本文介绍此种试验方法之一。试件加工成20cm长的梁,并高度磨光其上表面,把它弯成向上凸,其最大弯曲应力宜为20bar或稍小一些。当观测时,把一块光学平板放在磨光的面上使产生单色光的干涉条纹,对干涉条纹进行分析,就可确定上表面的轮廓。试件的挠度应减小到观测时的轮廓与弯曲前已确定了的初始轮廓之间的差值。如此继续进行试件的挠度观测,就可绘制出蠕变曲线。根据作者的经验,文中叙述了应用上述方法必须注意的事项和可能遇到的问题,并举了一些具体的例子。 弯曲试验有着能比较容易地探测变形的优点,缺点是应力状态不象压缩或拉伸试验那样简单。但在文章的最后部分,作者给出了在屈服应力等于零时,由弯曲试验得到的蠕变曲线与由压缩或拉伸试验得到的蠕变曲线不相上下,并且从熊谷（Kumagai）和伊藤的长达23年以上的蠕变试验,得出了重要结论,就是岩石没有屈服应力。     

岩石单轴拉伸蠕变特性试验研究

采用自行设计加工的岩石拉伸试验装置,对砂岩进行了直接拉伸蠕变试验。结果表明:拉伸试验中蠕变量与总应变的比值明显高于压缩试验中相应值,表明岩石拉伸蠕变变形能力高于岩石单轴压缩蠕变。分析等时应力-应变曲线直线段斜率变化规律,得到Kelvin体弹性模量随时间变化的表达式,将其代入Kelvin模型中,得到一个改进的非线性广义Kelvin模型,并通过串联的方式,将之与一个能反映非线性加速蠕变特征的黏塑性体联结,组成一个新的非线性蠕变模型。利用非线性曲线拟合软件1stOpt,对试验曲线进行拟合,对模型参数进行辨识,对比试验曲线和拟合曲线,二者能较好地吻合,验证了模型的适用性。     

碾压混凝土各向异性徐变损伤本构模型

碾压混凝土的徐变包括低应力水平下的近似线性徐变和高应力水平下的非线性徐变，在低应力水平下，损伤值较小，徐变近似线性，可以应用叠加原理；在高应力水平下，损伤值较大，徐变表现为明显的非线性，叠加原理不再适用，高应力水平下徐变的非线性特征可以用线性徐变和损伤耦合来描述。根据碾压混凝土材料损伤拉压显著不同的特点，分别在拉压应变空间建立了碾压混凝土的损伤演化方程，考虑粘弹性与损伤耦合，应用正交各向异性损伤理论来描述由于微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化，该模型能够较好地描述碾压混凝土的在复杂应力状态下的非线性徐变特性。     

龙滩工程岩石试件在拉伸条件下的变形特性试验研究

由于试验设备和技术方面的原因,岩石拉伸试验相对于岩石压缩试验要复杂和困难许多。在很多情况下,岩体工程的破坏是从岩石受拉破坏开始的。为测定龙滩工程岩石在张拉破坏条件下的极限拉应变,了解岩石在张拉破坏条件下的应力–应变关系和力学特性,介绍了用直接法测定岩石在拉伸条件下的应力–应变曲线,并对直接拉伸条件下岩石的应力–应变曲线进行了分析。同时,对比了直接拉伸法和劈裂法测定工程岩石力学特性的不同之处。     

砂岩直接拉伸蠕变特性及 Burgers 模型的改进与应用

应用自行研制的岩石直接拉伸装置对红砂岩进行了单轴直接拉伸蠕变试验,试验结果表明,在低应力状态下砂岩的直接拉伸蠕变由衰减蠕变和稳态蠕变组成,高应力状态下砂岩直接拉伸出现历时较短的加速蠕变阶段。在对蠕变特性分析的基础上对 Burgers 蠕变模型进行了改进,引入了一个非线性黏塑性体,并基于 BFGS 算法对拉伸作用下蠕变试验结果进行直接拟合。结果表明,基于 BFGS 算法的改进 Burgers 蠕变模型理论曲线与试验曲线吻合效果较好,引入模型的非线性黏塑性体其黏性系数 η _N 的初始值较大（ 10¹⁹ 以上）,该非线性黏塑性体在砂岩的加速蠕变阶段起到主导作用;改进 Burgers 模型不仅可以描述砂岩直接拉伸状态下的衰减蠕变和稳态蠕变阶段,而且可很好地描述砂岩加速蠕变过程。     

硅藻岩蠕变特性研究

硅藻岩质地松软，富含层理，强度极低。单轴压缩蠕变试验表明，其蠕变变形很大，长期强度与瞬时强度相比很小。按不同数学力学模型对数据进行回归分析，取得了较好拟合效果。研究表明，若按对数方程分析，计算简便；材料蠕变性质较符合西原流变模型。本文并提出用多项式逐步回归分析方法，至多取多项式前六项，就可以很好模拟硅藻岩的第三阶段加速蠕变规律     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

粉砂质泥岩常规力学、蠕变以及应力松弛特性的对比研究

 在相同围压下,对饱和粉砂质泥岩分别进行常规三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,比较3种力学试验得出的岩石试样轴向强度大小以及轴向峰值应变大小,并从岩石破裂机制方面解释岩石强度以及变形差异产生的原因。采用Burgers模型描述粉砂质泥岩的蠕变与应力松弛特性,依据模型参数辨识结果,比较常规力学试验得出的剪切模量G与Burgers蠕变模型和应力松弛模型得出的瞬时剪切模量G1大小关系,并比较Burgers蠕变模型与应力松弛模型对应参数值之间的大小关系。研究结果表明：(1) 粉砂质泥岩试样的瞬时强度最大,蠕变长期强度其次,松弛长期强度最小。(2) 常规力学试验中试样的轴向峰值应变最大,应力松弛试验中试样的轴向峰值应变其次,蠕变试验中试样的轴向峰值应变最小。(3) 常规力学参数G值与Burgers蠕变模型和应力松弛模型参数G1值相差较大,分别是蠕变模型和应力松弛模型参数G1值的64.5,86.8倍。(4) 对于G1,G2,?1,?2这4个参数,蠕变模型辨识得出的参数值均较应力松弛模型辨识得出的参数值大。2种模型的G1参数值大小接近,而其他3种参数G2,?1和?2,采用2种模型辨识得出的参数值差别较大,相差1～2个数量级,其中G2参数值相差最小,?1参数值相差最大。与剪切模量G1,G2参数值相比,2种模型的黏滞系数η1,η2参数值相差较大,表明?1,?2对岩石蠕变与应力松弛特性的影响较大。(5) 粉砂质泥岩蠕变与应力松弛模型对应参数的比较结果,证明所得出的岩石蠕变与应力松弛模型参数的正确性,与线黏弹性材料不同,岩石的蠕变特性与应力松弛特性是不等同的,不能简单地由岩石的蠕变特性推导得出其应力松弛特性。     

软土蠕变特性试验研究

针对广州南沙原状软土进行了一系列室内试验研究,包括三轴压缩试验、三轴蠕变试验和一维固结试验,系统地探讨了软土的蠕变变形特性。结果表明:软土的蠕变特性与多种因素有关,包括土体的初始固结度、土层排水条件、加荷比等;次固结系数与固结压力的关系取决于土体的先期固结压力和试验中的加荷比。